10. Цап, принцип действия. Бис цап, возможности. (т.5 атпп)

Интегральные ЦАП исполняются, как правило, по весовому принципу (рис. 5.5). ЦАП содержит резисторную матрицу R-2R и токовые ключи ТК. На вход ОУ поступает сумма токов тех разрядов двоичного числа, где есть единица. Токи определяются только резисторной матрицей. Если учесть то, что потенциал на входе ОУ равен нулю (при K_у → ), то весовая матрица получает вид, представленный на рис. 5.6. Сопротивление матрицы равно R.

Рис. 5.5. ЦАП, реализованный по весовому принципу на резисторной матрице R-2R

Рис. 5.6. Результирующее сопртивление резисторной матрицы

Откуда , где – опорное напряжение (обычно

В СЧПУ типа CNC индикаторный режим реализуется по структуре, показанной на рис. 10.7, где ПКФ, ЦАП, ФД (ПФН) – преобразователи информации, принципы работы которых описаны в предыдущих главах. В этом случае a^*, ω^* – двоичный код, поступающий с интерполятора и блока задания скорости.

Делители частоты ДЧ имеют коэффициент деления N.

Режим работы датчика положения в фазовом индикаторном режиме называют режимом фазовращателя. Это основной режим работы в большинстве аппаратных стоек ЧПУ.

Данная же структура используется и при унитарном коде (перемещение – количество импульсов и задание скорости – частота по данной координате), но вместо ПКФ и ЦАП используются ПЧФ и ПЧН.

Рис. 10.7. Структура следящего электропривода с фазовым индикаторным регулятором положения

Фазовый разностный режим работы устройства связи с электроприводом представлен на рис. 10.8. В данной структуре за счет уменьшения зоны работы ФД и того, что ФД работает на постоянной частоте w, итоговая точность СЧПУ возрастает.

Недостаток данной структуры – датчик положения не дает информации об истинном положении привода (для индикации, например), а сразу рассогласование по положению.

Есть системы связи, работающие при амплитудно-индика­торном или амплитудно-разностном режиме работы измерителей рассогласования и датчиков положения^*. Такие СЧПУ не нашли распространения, хотя обеспечивают повышенную точность в фазо­импульсных СЧПУ.

Рис. 10.8. Структура следящего электропривода с фазовым разностным регулятором положения

В амплитудно-индикаторном режиме на датчик подают

U_c1 = U₁ sinωt, U_c2 = 0.

C датчика получаем U_p1 = U₂ sinj sinωt, U_p2 = U₂ cosj sinωt.

В амплитудно-разностном режиме

U_c1 = U₁ sina sinωt, U_c2 = U₁ cosa sinωt,

U_p1 = U₂ sin(j–a)sinωt, U_p2 = U₂ cos(j–a)sinωt.

1. Контурные фазовые системы ЧПУ. (Т.10 АТПП).

На рис. 10.3 представлена структурная схема САУ с корректирующим звеном для инвариантности по управлению.

Оператор Лапласа по ошибке из рис 10.3:

δ = Х_З – Х_вых = Х_З – W_К W₂ Х_З – W₁ W₂ δ.

Передаточная функция ошибки по управлению:

Чтобы была полная инвариантность по управлению, требуется

W_К(p) = .

Рис. 10.3. Структурная схема САУ с корректирующим звеном для инвариантности по управлению

Применим этот общий вывод к следящему электроприводу, структурная схема которого приведена на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Структурная схема следящего электропривода с корректирующим звеном для инвариантности по управлению

Регулятор положения в следящем электроприводе может быть только пропорциональным для исключения перерегулирования по выходной координате. Применение ПИ-регулятора положения приводит к недопустимому в траекторных задачах перерегулированию. Однако П-регулятор положения не позволяет исключить скоростную ошибку X_вых1 (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Переходный процесс в следящем электроприводе при линейной заводке: Х_вых1– с П-регулятором положения без коррекции;Х_вых2– с П-регулятором положения с коррекцией

Чтобы получить полную инвариантность по управлению, требуется корректирующее звено

W_K (p) = ,

где передаточная функция контура скорости при настройке на «симметричный оптимум»

W_KC (p) = ×(1/K_дс),

где T_c – малая постоянная контура скорости. Тогда

W_K (p) = K_дс × (p+4T_cp²+8T_c ²p³+8T_c ³p⁴).

Реализация корректирующего звена в микропроцессорной системе приведена на рис. 10.6, где ВЧС – рассчитывает задание X_З^' и корректирующий сигнал Х_к по координатам ,,,с учетом их ограничений, т.е.

Рис. 10.6. Реализация полной инвариантности по управлению в микропроцессорной следящей системе

Реально можно ввести в цифровых системах первую производную (скорость), вторую производную (ускорение), третью производную (рывок), существенно снизив ошибку по управлению. В ряде случаев вводится коррекция по 1-й и 2-й производным или только по 1-й производной.

В аппаратных стойках ЧПУ унитарный код уже несет в себе информацию о скорости.

После введения коррекции скоростная ошибка исключается (см. рис. 10.5).

, чтобы иметь вес младшего разряда 10 мВ).

Сопротивления для выходного операционного усилителя тоже входят в состав прецизионных поликремниевых резисторов микросхемы.

Время преобразования не более 5 мкс.

Микросхема К572ПА2 (рис. 5.7) позволяет преобразовывать 12 разрядов, содержит более 1000 элементов. В состав микросхемы входят:

• УЦ – согласователь уровня ТТЛ с КМОП уровнем.

• RG1, RG2 – регистры памяти для записи и хранения цифровой информации.

• ТК – токовые ключи.

• РМ – резисторная матрица, разрешающая способность H = 2,5 мВ при , ,, .

Время преобразования – не более 15 мкс.

Рис. 5.7. Структура микросхемы ЦАП К572ПА2

Микросхема К594ПА1: 12-разрядная со встроенным источником тока на основе ОУ для повышения стабильности, t_уст = 3,5 мкс.

Микросхема К1108ПА1: 12-разрядная, t_уст = 0,4 мкс.

Микросхема К1118ПА: 8-разрядная, t_уст = 40 нс.

Микросхема К1118ПА2: 10-разрядная, t_уст = 80 нс.

11. АЦП, способы преобразования. БИС АЦП, возможности. (Т.5 АТПП).

Принципы исполнения АЦП:

• последовательного счета;

• последовательных приближений;

• параллельного считывания;

• интегрирующие.

Принцип работы АЦП с последовательным счетом представлен на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Структура АЦП с последовательным счетом

Заполнение счетчика тактовой частоты до тех пор, пока выходное напряжение ЦАП, полученное при преобразовании кода счетчика, не сравняется с входным напряжением. Данный принцип применялся, когда не было интегральных АЦП.

В интегральных АЦП применяются три последних принципа.

Структура АЦП, выполненного по методу последовательных приближений, дана на рис. 5.9.

По этому методу сдвиговый регистр поочередно добавляет единицу в разряды регистра последовательных приближений, начиная со старшего. Если компаратор напряжения при этом отмечает, что напряжение ЦАП больше U_вх, то эта очередная единица в регистрах не фиксируется (иначе – фиксируется). Таким образом происходит «взвешивание» всех разрядов двоичного кода.

Рис. 5.9. Структура АЦП по методу последовательных приближений

Для получения 12-разрядного кода при , примененного для ЦАП, каждому разряду кода соответствует аналоговый сигнал (табл. 5.2).

Таблица 5.2

Последовательность преобразования АЦП

Такт	Вес ЦАП в этом такте	Код в регистре последовательных приближений	Выход ЦАП	Результат накапливаемый
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12	5,12 2,56 1,28 0,64 0,32 0,16 0,08 0,04 0,02 0,01 0,005 0,0025	100000000000 110000000000 111000000000 110100000000 110010000000 110011000000 110010100000 110010010000 110010011000 110010010100 110010010110 110010010101	5,12 7,68 8,96 8,32 8,00 8,16 8,08 8,04 8,06 8,05 8,055 8,0525	100000000000 110000000000 110000000000 110000000000 110010000000 110010000000 110010000000 110010010000 110010010000 110010010100 110010010100 110010010100

В этой таблице показаны все 12 тактов последовательного взвешивания для .

Буферный регистр обычно имеет три стабильных состояния выходов, может выдавать информацию побайтно или 16-разрядным словом, в параллельном коде или последовательном по сигналам на считывание.

Внешний компаратор напряжения применяют для того, чтобы повысить точность.

Примеры АЦП последовательных приближений.

• К572ПВ1 – 12-разрядный, .

• К572ПВ3 – 8-разрядный внутренний компаратор, .

• К1108ПВ1 – 10-разрядный, внутренние компаратор и источник опорного напряжения, ,U_вх = 0…3 В.

• К1108ПВ2 – 12-разрядный, U_вх = 0…5 В, .

• К1113ПВ1 – 10-разрядный, .

• К574ПВ4 – 8-разрядный, 8 входов (есть мультиплексор на входе), ОЗУ 8×8, считывание ОЗУ внешним устройством (микропроцессором).

АЦП параллельного считывания

Это наиболее быстродействующие преобразователи, так как сравнение с делителем напряжения, имеющим 2ⁿ ступеней, где n – разрядность АЦП, происходит каждый такт. Структура подобного АЦП приведена на рис. 5.10.

С компараторов следует позиционный код, когда верхние компараторы будут все в «1», нижние – в «0». Позиционный код преобразуется в двоичный код.

Примеры АЦП параллельного считывания:

• К1107ПВ1 – 6-разрядный, U_вх = 0…2 В, .

• К1107ПВ2 – 8-разрядный (уже 256 компараторов), .

• К1107ПВ3 (ЭСЛ структура) – 6-разрядный, .

• К1107ПВ4 – 8-разрядный, .

• К1126ПВ1 – двухканальный АЦП – 3-разрядные (для электронного щитка автомобиля).

Рис. 5.10. Структура АЦП параллельного считывания

11. АЦП интегрирующего типа. Цифро-аналоговый процессор. (Т.5 АТПП).

Интегрирующие АЦП

Наименьшее быстродействие, но простота, выход сразу на индикацию. Осуществляется двойное интегрирование с автоматической коррекцией нуля и определением полярности сигнала. Структурная схема интегрирующего АЦП приведена на рис. 5.12, временная диаграмма работы – на рис. 5.11.

На 1-м этапе интегратор заряжается от U_вх со стабильной длительностью. На 2-м отрезке интегратор разряжается от стабильного источника U_REF, ведется подсчет времени разряда T_х. На третьем отрезке производится компенсация дрейфа нуля интегратора. Все временные отрезки отмеряются путем подсчета тактовых импульсов счетчиком.

Рис. 5.11. Временная диаграмма работы интегрирующего АЦП

Рис.5.12. Структура интегрирующего АЦП: ИОН – источник опорного напряжения; ГТИ – генератор тактовых импульсов

Учитывая равенство заряда и разряда:

. Принимая U_x = const за период интегрирования, получаем , т.е.

Пример интегрирующего АЦП:

К572ПВ2 – выходной код, специальный для непосредственного управления 7-сегментным десятичным индикатором на 3,5 декады (до 4999).

Здесь не требуются ЦАП с высокоточными резисторными матрицами, нет высоких требований к стабильности интегратора, тактовой частоты (увеличение f_T приводит к уменьшению T_ст, но тогда меньше будет и время разряда). Схема позволяет хорошо подавить сетевые помехи (входной сигнал измеряется как среднее за T_ст).

К572ПВ1, К572ПВ2 – t_зар = 410³ периодов f_T;

t_{разр mах} = 810³ периодов f_T;

t_{автокомп} ≈ 410³ периодов f_T или 1610³ f_T;

f_T кратна 50 Гц (50, 100, 200 кГц);

При f_T = 200 кГц цикл работы t_∑ = 1610³/ f_T = 80 мс.

При δ < 0,1 % высокая помехозащищенность и дешевизна.